ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ ВТОРИЧНЫХ СПЛАВОВ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ НА ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И СТРУКТУРУ ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ

Арабей А. В., Рафальский И. В., Белорусский национальный технический университет,
Минск, Беларусь

Большинство вторичных сплавов — сложные многофазные системы, в состав которых могут входить неметаллические примеси и растворенные газы. Механические и эксплуатационные свойства литых изделий, полученных из вторичных сплавов, в значительной степени зависят от фазового состава и морфологии фаз сплава. Кроме химического состава сплава, основные факторы, влияющие на процесс формирования кристаллической структуры литых изделий, — исходное состояние шихтовых материалов (размеры кусков, окисленность, количество связанного углерода и т. д.), температура и длительность периодов плавления и выдержки сплава в печи, взаимодействие с огнеупорной футеровкой печи и возможность окисления в процессе плавки, составы флюсов, добавок, присадок и способ их ввода в расплав.

Состояние сплава в жидкой фазе и, как следствие, процессы формирования структурных составляющих сплава при кристаллизации могут существенно изменяться в зависимости от условий выплавки: температуры и скорости нагрева, времени выдержки при определенной температуре, модифицирующей обработки и т. п. Значительный экспериментальный материал накоплен в области исследований структурной организации металлических жидкостей на основе алюминия, прежде всего системы Al–Si. Однако механизм влияния температурной обработки сплавов в жидкой фазе на свойства и структуру литых изделий до конца не исследован. Недостаточно изучены вопросы структурной организации и упорядочения атомов металлической жидкости, влияния температурной обработки расплавов на морфологию фаз при кристаллизации, структуру и свойства литого металла.

Изучение влияния температурной обработки цветных сплавов в жидком состоянии на процесс кристаллизации и морфологию образующихся при затвердевании фаз, определение оптимальных температурных режимов плавки сплавов и разработка практических рекомендаций для получения высококачественных литых изделий с улучшенными механическими свойствами и эксплуатационными характеристиками — актуальные задачи. Их решение позволит повысить качество литейной продукции и будет способствовать ее продвижению на внешних рынках.

Цель настоящей работы — исследование влияния температурного режима сплавов системы Al–Si на процесс кристаллизации и морфологию фаз. При проведении экспериментов использовали доэвтектический, эвтектический и заэвтектический сплавы с содержанием кремния 6; 12,5 и 16 % соответственно. Максимальная температура нагрева расплавов в печи составляла 890 °С.

Анализ результатов металлографических исследований показал, что нагрев и выдержка сплавов системы Al–Si в жидкой фазе при различных температурах приводит к изменениям морфологии фаз сплавов (рис. 1).

Рис. 1. Влияние температуры перегрева на микроструктуру доэвтектического сплава Al–6 % Si (× 200):
а — 690 °C, б — 850 °C

Установлено, что в зависимости от режима температурной обработки исследованных сплавов происходит изменение формы, размеров и характера распределения первичных кристаллов α_Al-твердого раствора и эвтектических фаз. Повышение температуры нагрева исследованных сплавов в жидкой фазе до 810–850 °С приводит к появлению регулярной, «зеренной» структуры с равномерным распределением кремния, без четко выраженных выделений эвтектических колоний. Форма кристаллов эвтектического кремния меняет свою морфологию от тонкой пластинчатой или волокнистой к более компактной.

Результаты испытаний механических свойств доэвтектических Al–Si сплавов в литом состоянии представлены на рис. 2.

Рис. 2. Влияние температурных режимов выплавки сплава Al–6 % Si в жидкой фазе на механические свойства:
а — предел прочности при растяжении; б — относительное удлинение

Зависимости предела прочности при растяжении и относительного удлинения от режима термической обработки сплавов в жидкой фазе носят нелинейный характер. Максимальные значения механических свойств достигаются для сплавов, температура нагрева и выдержки которых в жидкой фазе составляет 810–850 °C.
Представленные на рис. 3 зависимости отражают влияние температуры нагрева заэвтектического сплава Al–16 % Si выше линии ликвидус на температуры фазовых превращений, соответствующих выделению первичного кремния и эвтектики.

а б

Рис. 3. Влияние на температуры фазовых превращений:
а — температура ликвидус; б — температура эвтектической кристаллизации; в — количество твердой фазы, выделившейся до начала эвтектического превращения сплава Al–16 % Si

Результаты металлографического анализа заэвтектических сплавов представлены на рис. 4.

Рис. 4. Микроструктура образца сплава Al–16 % Si после нагрева и выдержки в жидком состоянии при разных температурах:
а — 720 °С; б — 810 °С

Результаты исследований микроструктуры позволили сделать вывод о существенном влиянии температуры перегрева, а также параметров температурно-временной обработки сплава в жидкой фазе на морфологию как первичных, так и эвтектических фаз.

Установлено, что при затвердевании сплавов системы Al–Si заэвтектических составов микроструктура сплава центральной и периферийной частей образцов различная. Скопление первичного кремния в центральных зонах литых образцов свидетельствует о наличии ликвации кремния. Морфология первичного и эвтектического кремния зависит от способа температурной обработки расплава:
• при температурах до 100–150 °С выше линии ликвидус первичный кремний кристаллизуется в форме остроограненных грубых кристаллов;
• при температурах до 100–150 °С выше линии ликвидус кремний эвтетический кристаллизуется в форме тонких протяженных пластин, колонии эвтектических зерен имеют значительную протяженность и являются преобладающей фазой сплавов;
• при температурах перегрева расплава более 150–200 °С выше линии ликвидус количество первичного кремния в центральных зонах образцов увеличивается, а морфология существенных изменений не претерпевает;
• при температурах перегрева расплава более 150–200 °С выше линии ликвидус морфология эвтектического кремния претерпевает значительные изменения — на смену пластинчатому морфологическому типу эвтектики приходит более компактный, менее протяженный и дисперсный тип эвтектического кремния, колонии эвтектических зерен не выражены в центральных зонах образцов;
• повторное переплавление, а также термоциклирование сплавов в жидкой фазе (нагрев–охлаждение–нагрев) приводят к появлению кристаллов первичного кремния более округлой формы.

Таким образом, для получения сплавов Al–Si с более дисперсной структурой (в дополнение к известным способам регулирования морфологии фаз) можно использовать режимы температурной обработки в жидком состоянии, включающие операции периодического нагрева–охлаждения выше линии ликвидус на 150–200 °С, в том числе при охлаждениях сплавов ниже линии солидус, обеспечивающие получение кристаллических фаз c требуемой морфологией и дисперсностью.

Arabey A. V., Rafalskiy I. V., Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus

The temperature dependence of Al–Si alloy properties and impact of liquid alloy temperature on the structure and properties of cast metal was investigated. The temperature modes of preparation of cast aluminum alloys in liquid state ensuring dispersible phases under crystallizing and mechanical properties increase of cast metal were defined. The thermal treatment of liquid alloys leads to the modification of shape, sizes and character of distribution of primary and eutectic phases in alloys. The formalized model of evolutions of states for liquid metal systems is described in the paper.

Рафальский Игорь Владимирович, канд. техн. наук, доц., кафедра металлургии литейных сплавов, Белорусский национальный технический университет, просп. Независимости, 63, корп. 7, Минск, 220013, Беларусь. Тел. (17) 239-92-27. E-mail